Eksploatacja studzienek kanalizacyjnych (cz. 1)

Korozja chemiczna

Studzienki kanalizacyjne są narażone na agresywne chemicznie oddziaływanie wody gruntowej i ścieków. Tworzywa sztuczne z grupy termoplastów (PVC-U, PP, PE) używane do produkcji studzienek wykazują bardzo wysoką odporność na związki chemiczne, które mogą znaleźć się w wodzie gruntowej oraz w ściekach bytowych i deszczowych. Nie zanotowano do tej pory przypadku korozji chemicznej studzienki tworzywowej zabudowanej w sieci kanalizacji bytowej lub deszczowej. Z kolei podatność na korozję chemiczną studzienek betonowych zależy od właściwości zastosowanego betonu i obecności powłok izolacyjnych.

Rodzaje korozji chemicznej betonu

Rozróżnia się następujące rodzaje korozji betonu: korozja ługująca – spowodowana działaniem wód miękkich, korozja ogólnokwasowa – związana z aktywnością jonów wodorowych, korozja kwasowęglowa – zależna od zawartości agresywnego dwutlenku węgla, korozja magnezowa – zależna od zawartości jonów magnezowych oraz korozja siarczanowa – zależna od zawartości jonów siarczanowych. W przypadku betonowych studzienek kanalizacyjnych najczęściej występująca i najgroźniejsza jest korozja siarczanowa.

Korozja siarczanowa

Ten typ korozji wywołuje kwas siarkowy, który reaguje z obecnym w betonie wodorotlenkiem wapnia. W wyniku reakcji powstaje siarczan wapnia (gips), który krystalizuje z dwoma cząsteczkami wody, zwiększając przy tym swoją objętość o 130%. Gips może łączyć się z glinianem trójwapniowym, tworząc sól Candlota, która krystalizuje ze zwiększeniem objętości o 227%.

Krystalizujący gips i sól Candlota wywołują wewnętrzne naprężenia powodujące zniszczenie betonu. Zgodnie z wytycznymi norm PN-EN 206-1 [1] oraz PN-EN 1917 [2] właściwości betonu, w tym jego odporność na korozję siarczanową, są uzależnione od środowiska, w jakim będzie on pracował.

Zgodnie z PN-EN 206-1 [1] środowisko odpowiadające standardowym ściekom bytowym należy zakwalifikować jako słabo agresywne w stosunku do betonu (klasa ekspozycji XA1). W tym przypadku nie jest wymagana podwyższona odporność betonu na korozję chemiczną. Jednak w razie pojawienia się w ściekach bytowych kwasu siarkowego środowisko zmienia się w silnie agresywne w stosunku do betonu (klasa ekspozycji XA3) – zaleca się wtedy, aby studzienka miała grubowarstwową powłokę izolacyjną.

Kwas siarkowy może pojawić się w ściekach bytowych w dwóch sytuacjach. Pierwszy przypadek ma miejsce, gdy ścieki zawierają znaczne ilości substancji organicznych, w tym białkowych. W wyniku procesów rozkładu tych substancji powstaje siarkowodór, który utlenia się do siarki, odkładającej się w kanalizacji ponad poziomem ścieków.

Bakterie z rodzaju Thiobacillius utleniają siarkę do kwasu siarkowego. Drugi przypadek, który zostanie omówiony szerzej, to odprowadzanie do kanalizacji bytowej kondensatu z pieców kondensacyjnych.

Na fot. 1 pokazano studzienkę kanalizacji sanitarnej, która została zbudowana w 2003 r. Zamontowano wtedy 26 studzienek betonowych o średnicy O 1000 na kanale O 300 (PP podwójna ścianka) z przykanalikami O 160 (PVC-U) prowadzącymi od prywatnych posesji. Problemy z kanalizacją zaczęły się już 4 lata po zakończeniu budowy. Wewnętrzna część studzienek zaczęła ulegać korozji chemicznej. Odpadające części ścianek płynęły wraz ze ściekami, co powodowało zatykanie się kanalizacji. Kanał został kilka razy udrożniony, lecz kolejne ubytki ścianek wciąż powodowały jego zatykanie.

Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji zdecydowało o wymianie studzienek betonowych na studzienki z tworzywa sztucznego. Na przełomie czerwca i lipca 2009 r. studzienki zostały wymienione i pracują bezawaryjnie do dziś (fot. 2).

Kondensat w sieci kanalizacyjnej

W powyżej opisanym przypadku korozję chemiczną betonu spowodował kondensat z kotłów kondensacyjnych odprowadzany z domów jednorodzinnych bezpośrednio do kanalizacji. Nasuwa się pytanie, czy bezpośrednie odprowadzenie kondensatu do kanalizacji jest rozwiązaniem prawidłowym i zgodnym z prawem. Powstający po skropleniu spalin kondensat ma odczyn kwaśny, a roztwór kwasu siarkowego stanowi co najmniej 90% jego objętości.

Według informacji czołowych producentów kotłów kondensacyjnych wartość pH kondensatu z kotła gazowego zawiera się pomiędzy 4 a 5, co stawia go w gronie substancji bezpiecznych dla rur z tworzyw sztucznych i kwasoodpornych. Dlatego, jak informują, można pozwolić na odprowadzenie kondensatu z kotła gazowego (do 200 kW) bezpośrednio do kanalizacji. Natomiast kondensat pochodzący z kotła olejowego należy za każdym razem neutralizować – jego pH może wynieść nawet 2, jest to zatem już ostry kwas mogący zniszczyć instalację.

W Polsce nie ma przepisów prawnych regulujących tę kwestię – odpowiednie uregulowania prawne ma kilka innych krajów europejskich. Przykładowo zgodnie z przepisami niemieckimi do kanalizacji ogólnodostępnej można odprowadzać bez neutralizacji kondensat pochodzący z kondensacyjnych kotłów gazowych o mocach do 25 kW. Przy spełnieniu warunku gwarantującego odpowiednie rozcieńczenie kondensatu ściekami moc kotła może wynosić nawet do 200 kW.

Wnioski

Inwestor i projektant, rozpatrując rozwiązania materiałowe kanalizacji sanitarnej, powinni założyć obecność w ściekach agresywnego chemicznie kondensatu, który zgodnie z prawem i zaleceniami ekspertów będzie odprowadzany bezpośrednio do kanalizacji. Biorąc pod uwagę ciągłość pracy kotłów oraz nierównomierność dobową odprowadzenia ścieków, oczywiste jest, że w pewnych okresach doby kondensat nie będzie odpowiednio rozcieńczany (neutralizowany) przez ścieki bytowe. W razie jego dużych objętości (np. osiedle domków jednorodzinnych wyposażonych w kotły kondensacyjne) kondensat jest dużym zagrożeniem dla elementów sieci kanalizacyjnej wykonanych z betonu.

Deformacja trzonu wznoszącego

Przyczyny

Przypadki deformacji trzonu wznoszącego lub kinety (podstawy) w studzienkach z tworzyw sztucznych występują sporadycznie i głównie w przypadku produktów o małej sztywności obwodowej. Jeden z przypadków dotyczył nieprawidłowego doboru typu studzienki do lokalnych warunków gruntowo-wodnych. Zastosowano zbyt małą sztywność obwodową trzonu wznoszącego dla występującego poziomu wody gruntowej. Brak dobrego zagęszczenia gruntu wokół studzienki na całej jej wysokości oraz duże parcie wody gruntowej doprowadziły do deformacji trzonu wznoszącego uniemożliwiającej prawidłową eksploatację studzienki.

Wymagania normy PN-EN 13598-2

Aby uniknąć problemów eksploatacyjnych, w przypadku studzienek z tworzyw sztucznych oprócz poprawnego montażu ważny jest ich prawidłowy dobór w zależności od głębokości posadowienia, warunków gruntowo-wodnych i obciążenia ruchem drogowym.

Wprowadzona w 2009 r. norma PN-EN 13598-2 [3] określa wymagania dla studzienek włazowych i niewłazowych z nieplastyfikowanego poli(chlorku winylu) (PVC-U), polipropylenu (PP) i polietylenu (PE) instalowanych na maksymalnej głębokości 6 m i w obszarach obciążonych ruchem kołowym. Jednym z wymagań zapewniających studzienkom odpowiednią wytrzymałość jest minimalna sztywność obwodowa trzonu wznoszącego SN 2 (2 kPa).

Twórcy normy (grupa robocza przy CEN 2) wykonali obliczenia na wyboczenie trzonu wznoszącego, opierając się na formule:

gdzie:

q_k – parcie krytyczne powodujące wyboczenie [kPa],

E_t – moduł styczny gruntu [kPa],

S_N – sztywność obwodowa trzonu wznoszącego [kPa].

Obliczenia wykonano dla trzech rodzajów gruntu: piasek, glina oraz grunt luźny, przy poziomie wody gruntowej 0,5 m poniżej powierzchni terenu. Na rys. 1 przedstawiono zależność minimalnej wymaganej sztywności obwodowej trzonu wznoszącego od zagłębienia dla trzech rodzajów gruntu. Na wykresie widać, że przy zagłębieniu do 6 m sztywność obwodowa 1 kPa jest wystarczająca dla piasku i gliny.

Jednak w przypadku gruntów luźnych do wyboczenia może dojść już przy zagłębieniu powyżej 2 m. Dlatego w normie jako minimalną sztywność obwodową trzonu wznoszącego przyjęto wartość 2 kPa. Dla większości rodzajów gruntów, w których są instalowane studzienki, wartość ta zawiera duży współczynnik bezpieczeństwa. Dla gruntów luźnych, przy zagłębieniu powyżej 4 m, należy stosować studzienki o większych sztywnościach obwodowych trzonów wznoszących.

W przypadku kinety (podstawy) studzienki parametry badania są uzależnione od deklarowanego przez producenta maksymalnego poziomu wody gruntowej. Zgodnie z normą w kinecie badana jest trwałość i spójność konstrukcyjna, przy ciśnieniu odpowiadającym wysokości słupa wody gruntowej. Ciśnienie badania nie może być mniejsze od 2 m H₂O.

Wartość ta wynika z potrzeby zachowania spójności konstrukcyjnej tam, gdzie nie ma wód gruntowych. W takim wypadku kineta musi wytrzymać obciążenie gruntem (6 m głębokości) i obciążenia instalacyjne. Badanie spójności konstrukcyjnej polega na pomiarze odkształceń pionowych i poziomych kinety pod wpływem parcia wody (fot. 4).

Odkształcenia nie mogą przekroczyć wartości granicznych: pionowe – mniejsze lub równe 5% zewnętrznej średnicy głównego kanału kinety, poziome – mniejsze lub równe 10%. Zbyt duże odkształcenia kinety prowadziłyby do zaburzeń przepływu ścieków. Test trwa 1000 godzin, podwyższona temperatura badania pozwala na ekstrapolację wyników do 50 lat eksploatacji.

Wnioski

Producenci, deklarując zgodność wyrobu z normą PN-EN 13598-2 [3], są zobowiązani do podania maksymalnego poziomu wody gruntowej, dla jakiego przeprowadzono badania. Ponieważ parcie wody gruntowej stanowi bardzo istotną składową obciążeń działających na studzienkę, informacja ta pozwala precyzyjnie dobrać studzienki do lokalnych warunków zabudowy i uniknąć potencjalnych problemów eksploatacyjnych.

Średnice trzonów wznoszących w aspekcie potrzeb eksploatacyjnych

Problemy eksploatacyjne sieci kanalizacyjnej pozbawionej studzienek włazowych

W jednej z gmin budowę sieci kanalizacji sanitarnej rozpoczęto w 1994 r. i zastosowano rury PVC-U oraz włazowe studzienki betonowe. Studzienki wykonywano z elementów produkowanych przez miejscowy zakład betoniarski, a od 1997 r. zaczęto stosować niewłazowe studzienki z tworzyw sztucznych. Od początku istnienia sieci kanalizacyjnej dużym problemem eksploatacyjnym była infiltracja wód gruntowych w betonowych studzienkach.

Okresowo usuwano nieszczelności przy pomocy zaprawy cementowej, jednak przecieki znowu po pewnym czasie się pojawiały. W 2009 r. przeprowadzono wymianę studzienek betonowych na niewłazowe studzienki z tworzywa sztucznego (280 szt.). Obecnie sieć kanalizacji sanitarnej o długości 82 km wyposażona jest wyłącznie w niewłazowe studzienki z tworzywa sztucznego o średnicach trzonu wznoszącego 400 i 425 mm.

Pracownicy zajmujący się eksploatacją sieci twierdzą, że średnice te są wystarczające w przypadku wprowadzania sprzętu do czyszczenia ciśnieniowego lub inspekcji telewizyjnej. Niestety, problemy występują w przypadku zatorów, które tworzą materiały o charakterze stałym. Zator taki jest przepychany do najbliższej studzienki, z której trzeba go usunąć.

Średnice trzonów wznoszących istniejących studzienek są w takich przypadkach często zbyt małe. Niejednokrotnie jedynym wyjściem jest przepchanie zatoru do najbliższej przepompowni ścieków – gminna sieć kanalizacyjna ma 9 przepompowni. W skład gminy wchodzą w większości tereny wiejskie o niskiej kulturze korzystania z sieci kanalizacyjnej. Przyczyną powstawania zatorów są znajdowane w kanalizacji: gruz, kamienie, deski, styropian, zdechłe zwierzęta, części garderoby itp. Wyposażenie sieci w studzienki włazowe znacznie ułatwiłoby eksploatację.

Wnioski

Na podstawie zebranych doświadczeń można stwierdzić, że bezproblemową eksploatację zapewnia następujące rozmieszczenie studzienek na kolektorach: maksymalnie co 150 m studzienka włazowa, a maksymalnie co 50 m studzienka niewłazowa o średnicy trzonu wznoszącego minimum 400 mm.

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas V Konferencji Technicznej Stowarzyszenia Producentów Rur i Kształtek z Tworzyw Sztucznych (PRiK), 1–3.12.2011 r., Kudowa-Zdrój

Literatura

1. PN-EN 206-1:2003 Beton. Część 1: Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
2. PN-EN 1917:2004 Studzienki włazowe i niewłazowe z betonu niezbrojonego, z betonu zbrojonego włóknem stalowym i żelbetowe.
3. PN-EN 13598-2:2009 Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do podziemnej bezciśnieniowej kanalizacji deszczowej i sanitarnej. Nieplastyfikowany poli(chlorek winylu) (PVC-U), polipropylen (PP) i polietylen (PE). Część 2: Specyfikacje studzienek włazowych i niewłazowych instalowanych w obszarach ruchu kołowego głęboko pod ziemią.
4. Alferink F., Inspection Chambers, „Pipe Tech Review”, TEPPFA, Sep. 2007.
5. TEPPFA, Best Practice for effective jetting of sewer pipes.
6. Madryas C., Kolonko A., Wysocki L., Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002.
7. Othman F., Mortezania S., Efficiency assessment of operational and maintenance techniques to optimize sewer gas amount, „International Journal of the Physical Sciences” Vol. 5 (9)/2010.
8. Roszkowski A., Wytyczne Izby Gospodarczej Wodociągi Polskie odnośnie stosowania rur z tworzyw sztucznych, referat na II Konferencję Techniczną PRiK, 2008.
9. Campbell S.A., Fairfield C.A., An overview of the various techniques used in routine cleaning and maintenance of clay, conrete and plastic drains, „Constr. Build Mater.”, 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!